FPGA Implementation of Embedded Watermarking for Digital Video Recorder
Abstract：In this paper, we present an FPGA implementation of a watermarking-based authentication algorithm for a digital camera to authenticate the snapshots in a manner that any changes of contents in the still image will be detected in the embedded watermark. All components of a digital camera and a watermark algorithm are implemented in VHDL, simulated, synthesized and loaded into an FFGA device.
Keywods：FPGA    MPEG-4    DVR    watermarking
摘 要：本文用FPGA实现的基于水印的图像认证算法可用于数字视频录像机，一旦视频图像内容发生变化，嵌入图像的水印一定会被影响。该文介绍了一种新颖的基于MPEG-4的低比特率水印算法。该算法借鉴了Hartung基于MPEG－2压缩比特流水印算法,将空域扩展谱水印嵌入到MPEG-4码流中。视频录像机和水印嵌入的硬件功能全是由VHDL实现，并仿真、综合、载入到FPGA芯片。
关键词： FPGA    MPEG-4    数码录像机    水印嵌入

1、引言
 
MPEG-4是一种在低比特率条件下基于视频对象（VO）的多媒体编码标准 [1]。当码流在1Mbit／s下，MPEG-4表现出了强于MPEG—2以及MPEG-1的性能。增强的压缩效率和应用弹性使互联网流媒体联盟（ISMA）将MPEG-4的先进简单类（ ASP）推荐应用到因特网宽带多媒体流。互联网上使用MPEG—4的视频图像变得越来越普遍了，因此版权保护对于视频提供商变得越来越重要。
基于水印的认证方法已被建议用于认证多媒体信息。在这种方法下，任何对信息内容本身的复制、篡改和删减都会影响所嵌入的水印。为满足认证的要求，认证方法需要有能力确定多媒体信息被改动过的位置，并且能够正确区分恶意攻击和无恶意操作。这里的无恶意操作指的是有损压缩等操作。用于图像认证的水印技术通常会根据鲁棒性要求的不同，被分别设计为脆弱水印和准脆弱水印。脆弱水印方法通常在空域中使用。准脆弱水印技术在图像认证领域越来越受到关注，原因在于：准脆弱水印技术在区分恶意攻击和正常图像处理时，有着脆弱水印技术不可比拟的优势。当前有能力承受有损压缩的准脆弱水印技术多是在变换域下实现水印嵌入。按嵌入策略的不同，可以进一步细分为三类[2]：
第一种是将水印信息直接嵌入到原始视频图像中，形成含水印的原始视频信息然后进行视频编码。但这种方案经过视频编解码处理后，会造成部分水印信息的丢失；
第二种是将嵌入过程引入到视频编码器中。这一方案一般是通过调制DCT变换或量化之后的系数完成信息嵌入过程，这样可以通过自适应的机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力，但是增加了引用水印算法上的局限性；
第三种方法则把水印信息直接嵌入到视频压缩码流中，其最大的优点在于不需完全解码和再编码过程，因此造成的对整体视频信号的影响较小。但视频系统对视频压缩码率的约束将限制水印的嵌入信息量，同时水印的嵌入可能造成对视频解码系统中运 动补偿环路的不良影响。Hartung对MPEG-2视频压缩码流进行水印嵌入的算法就是方法三的典型代表。综上所述，本文借鉴Hartung的方法对MPEG-4视频压缩码流进行水印嵌入。

2、水印生成
在水印生成上借鉴Hartung的方法。定义：
         

3、水印嵌入
根据MPEG-4系统解码模型仿真，传输层从网络或者储存器取出接入单元（ SL包）以及与其相关的帧信息并将它们传送到同步层。同步层从SL包中取出载荷运用流映射信息鉴定装配相关的基本比特流[4]。最后，将基本比特流分解，根据场景表述信息嵌入水印。同步层将基本比特流重打包放入接入单元并将它们送入传送层，在传送层它们被加入帧信息，最后得到的结果数据被传送到网络或者储存器中。
由于DCT变换是线性的，所以不需要将基本比特流完全解压缩。而是将水印信息W进行DCT变换嵌入到VOP中的亮度平面中去。嵌入之前，将W分成8*8无重叠的块进行DCT变换。然后将DC系数置零，这样做是通过保持DC系数预测的原始方向来保持比特流的完整性。对VOP中的亮度块DCT系数解码，反量化。如果是帧间编码，要利用运动补偿后的参考帧计算出移位补偿差值，将缩放后的水印及移位信号加入原始的AC系数中。最后将新的DCT系数VLC量化，编码。示意图1为该文嵌入基本策略图[5]。 
 
4、实验过程
   本文所设计的系统结构先由VHDL实现，再将VHDL设计通过Mentor公司的Model Simulation工具软件进行仿真。最后，对该设计进行综合并利用软件QuartusII载入Altera芯片内。这里采用的芯片是Stratix1S10，最多支持426个I/O，有10,570 个逻辑单元。数字录像机整体实现的框图如图2所示。

  SAA7115负责接受来自前端的CVBS视频输入信号，处理后输出ITU.R BT.656信号，并将其作为Vw2010的输入。Vw2010是一款MPEG4编解码芯片，经它压缩编码
的数据再输入给FPGA芯片。压缩视频数据可在FPGA的辅助控制下，输出存储至Flash，进而通过USB控制器与外部存储设备连接，实现备份功能。外部晶振提供给FPGA 50Mhz的时钟，FPGA将未嵌入水印
的视频数据放在其中一块8M SDRAM里，将已嵌入水印的视频数据放在另外一块8M SDRAM里，需嵌入的水印信息来自ROM。对于接受方而言，有授权的用户提取水印后，将压缩码流送至Vw2010解压缩，输出BT.656视频格式后，由终端的SAA7120作D/A转换后，输出到LCD模块显示。整个流程可由三个按键开关加以控制。按键1按下时，SAA7115开始采集数据，Vw2010、FPGA相继进入工作状态，但并没有嵌入水印的操作；按键2按下时，所有工作停止，保留最近一幅画面；按键3按下时，开始嵌入水印的操作，并将嵌入水印的视频数据存到Flash中去。
5、结论
   本文用FPGA实现的基于水印的认证算法可用于视频录像机，介绍了一种新颖的基于MPEG-4的低比特率水印算法。该算法借鉴了Hartung基于MPEG－2压缩比特流水印算法,将空域扩展谱水印嵌入到MPEG-4码流中。视频录像机的组件全是由VHDL实现，并仿真、综合、载入到FPGA芯片。实验结果表明，该文中FPGA实现水印的方法，与软件实现的方法比较起来，可以更快地实现水印嵌入，而嵌入水印后图像质量并不逊色。
参考文献：
[1] Information Technology—Coding of Audio-Visual objects,Part 2:Visual Intern Standard[S]．ISO/TEC 1999
[2] Tae-Yun Chung，Min-Suk  Hong，Young-Nam Oh et al．Park Digital Watermarking for Copyright Protection of MPEG-2 Compressed Video.0098 3063／98，1998 IEEE
[3] Frank Hartung，ernd Glrod．Watermarking  of Uncompressed and Compressed video[J].signal Processing 1998 66(3):
283-301
[4] Information Technology－Coding of Audio-Visual objects，Part  1:System Intern Standard[S]．ISO/TEC 1999
[5]  程明，李吉星，黄雅迪，一种新颖的基于MPEG-4数字设计方法[J].计算机工程与应用，2004年19期，第64页
[6]  杨建军，王华闻，张耀，基于文件格式的I DE硬盘数字图像记录系统[J].微计算机信息，2004年10期.

作者简介：苏博仕，男，汉族，生于1983年9月。硕士研究生在读，主要研究内容是FPGA在嵌入式系统中的应用。
通信地址：上海市闸北区延长路149号上海大学M5楼 624室，邮编200072。
E-Mail：su20030920@126.com
导师简介：胡金演，男，汉族，副教授。主要研究嵌入式视频监控系统和门禁保安系统。